(57)【要約】【課題】  簡単な構成でイオン電流を計測できて精密なエンジン制御を実現できる内燃機関用点火コイルを提供する。【解決手段】  内燃機関の吸気側と排気側に対応して配置される二つの点火プラグＰＧ１，ＰＧ２に、同位相の放電電圧を供給する点火コイルＣＬである。センタタップＣＴ位置で巻線方向を逆転させて構成された二次コイル７と、二次コイル７に電磁結合された一次コイル６と、一次コイル６の電流をオンオフ制御するスイッチングトランジスタＱ１と、センタタップＣＴに接続されるコンデンサＣ１とダイオードＤ１が直列接続されたバイアス電源部、及び、ダイオードＤ１に並列接続される負荷抵抗Ｒ１を有するイオン電流検出回路ＩＯＮとを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気側と排気側に対応して配置される二つの点火プラグに、同位相の放電電圧を供給する点火コイルであって、
センタタップ位置で巻線方向を逆転させて構成された二次コイルと、
前記二次コイルに電磁結合された一次コイルと、
前記一次コイルの電流をオンオフ制御する制御素子と、
前記センタタップに接続されるイオン電流検出回路と、
を備えることを特徴とする内燃機関用の点火コイル。
【請求項２】
前記イオン電流検出回路は、コンデンサとダイオードが直列接続されたバイアス電源部、及び、前記ダイオードに並列接続される負荷抵抗を含んで構成される請求項１に記載の点火コイル。
【請求項３】
前記一次コイル、二次コイル、制御素子、及びイオン電流検出回路の全ては、一つのコイルケースに収容されている請求項２に記載の点火コイル。
【請求項４】
前記イオン電流検出回路は、二次コイルの外周に固定されたターミナル基板に設けられている請求項３に記載の点火コイル。
【請求項５】
前記制御素子は、入力端子に近接してコイルケースに収容される請求項３又は４に記載の内燃機関用点火コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構成でイオン電流を計測できて精密なエンジン制御を実現できる内燃機関用点火コイル、及びこの点火コイルを内蔵する自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、一気筒あたり複数本の点火プラグを設ける構成も知られており（特許文献１）、一気筒に二本の点火プラグを設けるものは、ツインスパークエンジンと呼ばれている。このツインスパークエンジンは、一般に、混合気の点火から燃焼完了までの時間を短縮化することで、エネルギー効率を向上させようとするものである。
【特許文献１】特開平１１−１４１４４８号
【０００３】
このツインスパークエンジンでも、爆発燃焼後のイオン電流を検出することで高度な燃焼制御を実現することが試みられている。ツインスパークエンジンにおいてイオン電流を検出する場合には、従来、吸気側と排気側で各々イオン電流を検出できるよう検出回路を構成し、通常時は排気側のイオン電流の検出値を利用する一方、排気側のレベル不足などの異常時には、吸気側のイオン電流の検出値を利用していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の方法では、混合気の状態やエンジン負荷などに応じて、二つの検出値の関係が大きく変化するので、ソフトウェア処理の負担が大きく、燃焼状態を適切に判断できないという問題点があった。
【０００５】
図９（ａ）は、アイドリング時のイオン電流の積分値（時間累積値）と発生頻度の関係を図示したものであり、横軸は、各点火タイミングで取得されるイオン電流の積分値、縦軸は、各積分値を示すイオン電流の発生頻度を示している。図示の通り、無負荷アイドリング時（図９（ａ））は、吸気側のイオン電流積分値が高レベルであるが、無負荷４０００回転時（図９（ｂ））には両者の関係が反転する。そのため、２つのイオン電流に基づいて燃焼状態を判断する場合には、ソフトウェア負担が大きいという問題がある。
【０００６】
また、そもそも、従来構成のツインスパークエンジン用点火コイルでは、独立した放電回路とイオン電流検出回路とを必要とするので、そのスペースのために点火コイルを小型化できないという問題点もある。
【０００７】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な構成でイオン電流を計測できて精密なエンジン制御を実現できる内燃機関用点火コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の吸気側と排気側に対応して配置される二つの点火プラグに、同位相の放電電圧を供給する点火コイルであって、センタタップの位置において巻線方向を逆転させてなる二次コイルと、前記二次コイルに電磁結合する一次コイルと、前記一次コイルの電流をスイッチング制御する制御素子と、前記センタタップに接続されるイオン電流検出回路と、を備えることを特徴とする。本発明では、センタタップ位置で巻線方向を逆転させる二次コイルと、イオン電流を検出する単一の回路と、を中心とする簡単な構成でイオン電流を計測できる。
【０００９】
本発明は、自動車や船舶などの内燃機関の他、発電機などの汎用の内燃機関にも好適に適用できる。したがって、上記構成の点火コイルを備える自動車、船舶、発電機なども特許性を有する発明である。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明した本発明によれば、簡単な構成でイオン電流を計測できて精密なエンジン制御を実現できる内燃機関用点火コイルを実現できる。また、ＤＯＨＣタイプの内燃機関などに適用することで、更に高性能の自動車を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、実施例に係る内燃機関用点火コイルの構成を説明する。図１は、点火コイルＣＬと点火プラグＰＧ１，ＰＧ２の接続関係を示す回路図、図２（ａ）は、点火コイルＣＬとワンチップマイコンとの接続関係を示す回路ブロック図である。この実施例では、図１に一点破線で示す点火コイルＣＬが、単一のコイルケース１（図４参照）に収容されて構成されている。
【００１２】
図示の通り、点火コイルＣＬは、電磁結合された一次コイル６及び二次コイル７と、一次コイル６の一次電流をオンオフ制御するスイッチングトランジスタＱ１と、二次コイル７のセンタタップＣＴに接続されるイオン電流検出回路ＩＯＮと、イオン電流検出回路ＩＯＮの検出出力を増幅する増幅回路ＡＭＰとで構成されている。そして、増幅回路ＡＭＰの出力Ｖｏは、波形処理としてバンドパスフィルタ回路によって不要帯域のノイズが抑制された後、積分回路を経てＡＤ変換されてワンチップマイコンに入力される（図２（ａ））。尚、前記イオン電流検出回路、及び、波形処理は一実施例であり、本発明の実施形態は適宜に変更可能であることは勿論である。
【００１３】
図１に示すように、スイッチングトランジスタＱ１のベース端子には、パルス状の点火信号ＳＧ（図２（ｂ）参照）が供給され、トランジスタＱ１のコレクタ端子には、一次コイル６を通して直流電圧Ｖｃｃが供給される。そのため、スイッチングトランジスタＱ１が点火信号ＳＧに基づくオンオフ動作することに応じて、一次コイル６及び二次コイル７には微分パルス状の放電電圧が誘起される。
【００１４】
二次コイル７は、詳細には、第一巻線部７Ａと第二巻線部７Ｂに二分されて構成され、センタタップＣＴの位置において巻線方向が逆転している。そのため、センタタップＣＴを基準にすると、第一巻線部７Ａと第二巻線部７Ｂの放電電圧が同位相となり、二つの点火プラグＰＧ１，ＰＧ２は、同一タイミングで放電することになる。このように、本実施例では、二つの点火プラグＰＧ１，ＰＧ２に同位相の高電圧が加わるので、点火プラグＰＧ１，ＰＧ２の間など、各部の耐圧構造を簡素化することができる。
【００１５】
イオン電流検出回路ＩＯＮは、コンデンサＣ１とダイオードＤ１が直列接続されたバイアス部と、コンデンサＣ１に並列接続されてコンデンサＣ１の充電電圧を所定値に制限するチェナーダイオードＤ２と、ダイオードＤ１に並列接続される負荷抵抗Ｒ１とで構成されている。そのため、二次コイル７Ａ，７Ｂが負電位となる点火タイミングにおける放電電流（図１矢印参照）がコンデンサＣ１を充電し、爆発燃焼後の燃焼室内のイオン電流が、負荷抵抗Ｒ１に流れるコンデンサＣ１の放電電流として検出される。なお、ダイオードＤ１は、好適にはチェナーダイオードが採用される。
【００１６】
イオン電流の検出値である負荷抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖｏ（図２（ｃ）参照）は、増幅回路ＡＭＰで増幅されるが、増幅回路ＡＭＰは、反転アンプＱ２と、入力抵抗Ｒ２と、帰還抵抗Ｒ３とで構成されている。なお、この反転アンプＱ２は、単一の電源電圧Ｖｃｃで動作する。
【００１７】
図３は、エンジンの燃焼室付近を概略的に示す平面図である。図示の通り、このエンジンでは、吸気ポートＩＮと排気ポートＥＸが各一つ設けられ、吸気ポートＩＮと排気ポートＥＸを結ぶ想像接続線を基準にした対称位置に、二つの点火プラグＰＧ１，ＰＧ２が配置されている。なお、特に限定されるものではないが、本実施例では、点火プラグＰＧ１を吸気側点火プラグとし、点火プラグＰＧ２を排気側点火プラグとしている。
【００１８】
先に説明した通り、二つの点火プラグＰＧ１，ＰＧ２は、同一タイミングで放電動作をする。そして、点火コイルＣＬに向けて流入する放電電流がコンデンサＣ１を充電し、その後、コンデンサＣ１の充電電圧であるバイアス電圧に基づいて、点火プラグＰＧ１，ＰＧ２にイオン電流が流れる（図１参照）。そして、負荷抵抗Ｒ１には、点火プラグＰＧ１に流れるイオン電流と、点火プラグＰＧ２に流れるイオン電流とが重畳されることで、吸気側と排気側のイオン電流が相乗される。そして、本実施例によるイオン電流検出出力は、吸気側のみで検出したイオン波形の積分値と排気側のみで検出したイオン波形の積分値を合算した値とほぼ合致することも実験的に確認されている。（図７参照）。したがって、本装置によれば、ソフトウェア処理を増大させことなく、単一のイオン電流検出回路で、シリンダ内の燃焼状態を把握することができる。
【００１９】
また、この実施例では、単一のイオン電流検出回路ＩＯＮによって吸気側と排気側のイオン電流を検出している。そのため、独特の二次コイル７Ａ，７Ｂを採用することと相まって装置全体を小型化することが可能となり、図１に示す点火コイルＣＬ全体を、単一のコイルケース１に収容することができる（図４参照）。また、従来装置のような二つの検出出力の比較演算などが不要となり、ソフトウェア処理が大幅に軽減される。
【００２０】
図４は、図１の点火コイルＣＬをコイルケース１に収容した状態を示す、正面図（ａ）と、背面図（ｂ）と、左側面図（ｃ）とである。なお、コイルケース１の内部には、エポキシ樹脂が充填されているため、正面図（ａ）には、一次コイルや二次コイルが現れない。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、この点火コイルは、一次コイル６及び二次コイル７を収容するコイルケース１と、点火駆動回路からの出力信号を受ける入力端子部２と、二次コイルから発生される放電電圧を点火プラグに供給するプラグブーツ３とを中心に構成されている。
【００２２】
ここで、入力端子部２は、コイルケース１の側部に形成された収納穴４に、その半分程度が内挿されている。そして、入力端子部２の残り半分程度は、コイルケース１から突出している（図１（ｃ））。この入力端子部２には、４本の接続端子２ａ〜２ｄが設けられているが、これらは、図１の電源ラインＶｃｃ，点火信号ＳＧ，検出出力Ｖｏ、及びグランドラインに対応する。
【００２３】
プラグブーツ３は、コイルケース１の底板から突出する２つの突出部５Ａ，５Ｂ（図２（ａ））に外嵌されている。このプラグブーツ３には、導電性のスプリングＳＰＲが内蔵されており、スプリングＳＰＲを通して点火プラグＰＧ１，ＰＧ２に放電電圧が供給される。なお、図１には、点火コイルを取付けるためのボルトＢＴも図示されている。
【００２４】
図５は、コイルケース１を示す正面図（ａ）と、左側面図（ｂ）と、平面図（ｃ）である。また、図５には、一次コイル６と二次コイル７とを組み合わせ、その磁路に環状鉄心８を配置してなるコイル組立体ＡＳも示されている。なお、図５の矢印は、コイル組立体ＡＳのコイルケース１に対する挿入方向である。
【００２５】
本実施例のコイル組立体ＡＳでは、二次コイル７の外面にターミナル基板ＴＲが固定されており（図６参照）、そのターミナル基板ＴＲに図１に示すイオン回路ＩＯＮと増幅回路ＡＭＰが設けられている。
【００２６】
図５（ｃ）に示す通り、コイルケース１は、薄い仕切り壁９に仕切られることで、略直方形のコイル収納空間１０と、入力端子部２のための収納穴４とに区分されている。そして、この収納穴４には、入力端子部２と共に、スイッチングトランジスタＱ１が収容される。なお、コイル収納空間１０の上下方向中央には、環状鉄心８を受け入れるコ字状溝１１がやや外側に広がって形成されている（図４（ａ）（ｂ））。また、このコ字状溝１１に合わせて、仕切り壁９のコイル収納空間側の側面には係止段部１２が上下に形成されている。
【００２７】
また、コイルケースの底部には、補強リブ１３，１４，１５が形成されると共に、円筒状の突出部５Ａ，５Ｂが形成されている。突出部５Ａ，５Ｂは、プラグブーツ３が外嵌される部分であり、コイルケース１の底板には、突出部５Ａ，５Ｂに連通して貫通穴１６，１６が形成されている。この貫通穴１６は、コイルケース１内にコイル組立体ＡＳを固定するための取付けビスＢＳ（図６（ｂ））を通過させるものである。取付けビスＢＳは導電性を有しており、プラグブーツ３に内装されているスプリングＳＰＲと、二次コイルの出力端子とを電気的に接続している。
【００２８】
図６は、コイルケース１に、コイル組立体ＡＳと入力端子部２が収納された状態を示す正面図（ａ）、及び右側面一部断面図（ｂ）である。図示の通り、コイル組立体ＡＳは、一次ボビン２０と、一次ボビン２０に巻回された一次巻線２１と、二次ボビン３０と、二次ボビン３０に巻回された二次巻線３１と、二次巻線３１の下面に固定されたターミナル基板ＴＲとで構成されている。
【００２９】
本実施例では、上記構成のコイル組立体ＡＳを、コイルケース１の限界位置まで挿入すると、二次コイルの出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、コイルケース１の２つの貫通穴１６，１６の位置が合うようになっている。そこで、突出部５Ａ，５Ｂを通して、取付けビスＢＳを挿入し、出力端子３７，３８にネジ込むことによって、コイル組立体ＡＳの取り付けが完了する。そして、最後にエポキシ樹脂を充填して硬化させ、プラグブーツを装着すると点火コイルが完成する。
【００３０】
以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、上記の記載内容は一例を示したに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱することなく適宜に変更可能である。例えば、イオン電流検出回路ＩＯＮは、図１の構成に代えて適宜な回路が採用される。
【００３１】
図８は、変更回路例を例示したものであり、コンデンサＣ１及びダイオードＤ１が直列接続されたバイアス部と、コンデンサＣ１に並列接続されるチェナーダイオードＤ２と、負荷抵抗Ｒ１及びダイオードＤ３の直列回路とで構成されている。そして、ダイオードＤ１は、負荷抵抗Ｒ１及びダイオードＤ３に並列接続されている。なお、本明細書では、このような構成も含め、「ダイオードＤ１に負荷抵抗Ｒ１が並列接続されている」と表現している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例に係る点火コイルの回路構成を示すブロック図である。
【図２】検出されたイオン電流の処理回路と、各部の波形を図示したものである。
【図３】エンジンの燃焼室付近を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明の点火コイルの一実施例を示す正面図（ａ）、背面図（ｂ）、左側面図（ｃ）である。
【図５】コイルケースの正面図（ａ）左側面図（ｂ）、平面図（ｃ）である。成形を説明する図面である。
【図６】コイルケースに収容されたコイル組立体を示す正面図（ａ）、右側面図（ｂ）である。
【図７】実施例に係るイオン電流検出回路の出力を示す図面である。
【図８】イオン電流検出回路の変更例を示す回路図である。
【図９】従来のイオン電流検出回路の動作を説明する図面である。
【符号の説明】
【００３３】
ＰＧ１，ＰＧ２    点火プラグ
ＣＬ              点火コイル
Ｑ１              制御素子（スイッチングトランジスタ）
ＣＴ              センタタップ
ＩＯＮ            イオン電流検出回路
６                一次コイル
７（７Ａ，７Ｂ）  二次コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006283568.tif 000008
【図７】
2006283568.tif 000009
【図８】
2006283568.tif 000010
【図９】
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